DD208227A1

DD208227A1 - Vorrichtung zur elementgehaltbestimmung von untersuchungsgut mittels unelastischer neutronenstreuung

Info

Publication number: DD208227A1
Application number: DD23551181A
Authority: DD
Inventors: Bernd Heinrich; Gerhard Musiol; Hans-Georg Ortlepp; Udo Richter
Original assignee: Bernd Heinrich; Gerhard Musiol; Ortlepp Hans Georg; Udo Richter
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1984-03-28

Abstract

Die Erfindung dient der Erhoehung der Analysengenauigkeit und Analysengeschwindigkeit bei der Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut mittels unelastischer Neutronenstreuung. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung besteht aus einem Neutronengenerator und einem gegen Direktstrahlung abgeschirmten Gammastrahlungsdetektor und ist dadurch gekennzeichnet, dass im Vakuumendstueck des Neutronengenerators, vom Target aus in Gegenrichtung zum Bestrahlungsort des Untersuchungsgutes, ein Detektor fuer assoziierte Teilchen der Neutronenerzeugungsreaktion angeordnet ist, der zusammen mit dem Gammastrahlungsdetektor an ein elektronische Schaltungsanordnung angeschlossen ist, durch die diejenigen Gammastrahlunungsimpulse als Messeffekt registriert werden, d. mit einem Assoziierte-Teilchen-Impuls in vorgegebenem zeitlichem und energetischem Zusammenhang stehen. Durch die Erfindung wird die Untergrundzaehlrate bei der Analyse verringert. Die Erfindung eignet sich besonders fuer die kontinuierliche Ueberwachung der Zusammensetzung von Schuettgut auf laufenden Transportbaendern, beispielsweise von Rohbraunkohle bei der Foerderung im Tagebau.

Description

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Vorrichtung zur Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut mittels unelastischer Neutronenstreuung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine "Vorrichtung zur Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut mittels unelastischer Neutronen-Streuung, die besonders für die kontinuierliche Überwachung der Zusammensetzung von Schüttgut auf laufenden Transportbändern geeignet ist. Beispielsweise kann mit der Vorrichtung der Kohlenstoffgehalt von Rohbraunkohle während der Förderung schnell und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut mittels unelastischer Neutronenstreuung wird der Umstand genutzt, daß von Atomkernen, die mit schnellen Neutronen in Wechselwirkung treten, Gammastrahlung ausgesandt wird, die eine für den jeweiligen Kern charakteristische Energie besitzt» Beispielsweise

12 sendet das Kohlenstoffisotop C Gammastrahlung von 4,43 MeV Energie aus, wenn es mit Neutronen von höherer Energie bestrahlt wird. Zur quantitativen Analyse wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Intensität der charakteristischen Gammastrahlung der Masse des jeweiligen Elements im Untersuchungsgut proportional ist. Gegenüber Analysenverfahren mit anderen Neutronenreaktionen, wie Neutroneneinfang oder Aktivierung, hat die unelastische Neutronenstreuung den Vorteil, daß sie auch bei Elementen mit niedriger Ordnungszahl angewandt werden kann.

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Schwierigkeiten bereitet jedoch die hohe Untergrundzählrate "beim Nachweis der charakteristischen Gammastrahlung, die durch Gammastrahlung aus Neutroneneinfang- und Aktivierungsprozessen im Untersuchungsgut und durch Wechselwirkung von getrennten Neutronen mit dem Gammastrahlungsdetektor hervorgerufen wird. Die letztgenannte Störungsquelle kann bei der unelastischen Neutronenstreuung nicht wie bei anderen Neutronenreaktionen dadurch beseitigt werden, daß erst nach Abschalten des Neutronengenerators gemessen wird. Das liegt daran, daß die bei der Streuung erzeugte Gammastrahlung prompt emittiert wird und daher nur unmittelbar während der Neutronenbestrahlung des Untersuchungsgutes zu beobachten ist.

Verschiedene Wege sind bisher bekanntgeworden, um die Untergrundzählrate der unelastischen Neutronenstreuung zu verringern. Bin von MARTIN (Int. J. App. Rad. Isotops 15 (1964) 339) verwendeter Gammastrahlungsdetektor besteht aus zwei in Antikoinzidenz geschalteten NaJ(Te)-Szintillationskristallen, von denen der zweite den ersten umgibt. Mit diesem Detektor werden nur solche Gammaquanten registriert, die allein den inneren Kristall durchlaufen. Dadurch wird der größte Teil der innerhalb des Detektors durch gestreute Neutronen erzeugten Gammaquanten nicht mitgemessen« Von Nachteil ist jedoch, daß sich auch der Meßeffekt verringert, da ein Teil der vom Untersuchungsgut kommenden Gammaquanten ebenfalls beide Kristalle durchläuft. Außerdem wird der Anteil der Untergrundzählrate, der durch die vom Untersuchungsgut ausgehende Störstrahlung entsteht, überhaupt nicht unterdrückt.

Mit einer anderen bekannten Einrichtung (DE-O5 24 27 127) wird die durch Neutroneneinfang und teilweise auch die durch Aktivierung im Untersuchungsgut erzeugte Störstrahlung reduziert. Dazu wird ein gepulster Neutronengenerator verwendet und die Messung nur während der sehr kurzen Impulsdauer durchgeführt, während der die Neütroneneinfang- und Aktivierungsreaktionen noch nicht stattfinden. In der auf jedem Impuls folgenden Totzeit müssen Neutroneneinfang- und Aktivierungsreaktionen erst wieder¹ abklingen, bevor erneut gemessen werden kann. Nachteilig an dieser Einrichtung sind die notwendigen großen Totzeiten, die die erforderliche Zeitdauer für die Gewinnung eines Meßwertes

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vervielfachen. Außerdem wird derjenige Anteil der Untergrundzählrate, der durch die Wechselwirkung von getrennten Neutronen mit dem Gammastrahlungsdetektor hervorgerufen wird, nicht verringert.

Auf Grund der bei den bekannten Einrichtungen zur Verringerung der Untergrundzählrate noch vorhandenen Nachteile ist es für viele Einsatzaufgaben bisher nicht möglich, die erforderliche Analysengenauigkeit und Analysengeschwindigkeit gleichzeitig zu erreichen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung von Analysengenaaigkeit und Analysengeschwindigkeit bei der Elementgehaltbestimmung mittels unelastischer Neutronenstreuung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe, die Untergrundzählrate bei der Elementgehaltbestimmung mittels unelastischer Neutronenstreuung zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung zur Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut, die aus einem Neutronengenerator und einem gegen Direktstrahlung abgeschirmten Gammastrahlungsdetektor besteht, im Vakuumendstück des Neutronengenerators, vom Target aus in Gegenrichtung zum Bestrahlungsort des Untersuchungsgutes, ein Detektor für assoziiert Teilchen der Neutronenerzeugungsreaktion angeordnet ist, der zusammen mit dem Gammastrahlungsdetektor an eine elektronische Schaltungsanordnung angeschlossen ist, durch die diejenigen Gammastrahlungsimpulse als Meßeffekt registriert werden, die mit einem Assozierte-Teilchen-Impuls in vorgegebenem zeitlichem und energetischem Zusammenhang stehen*

Die bei der Neutronenerzeugungsreaktion freigesetzten assoziierten Teilchen - beispielsweise Alphateilchen bei Beschüß eines Tritiumtargets mit Deuterium - entstehen gleichzeitig mit den Neutronen und fliegen vom Target etwa in entgegengesetzter Richtung wie die Neutronen weg. Im Untersuchungsgut werden die dort eintreffenden Neutronen unelastisch gestreut, wobei bei jedem Streuprozeß

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innerhalb von weniger von 0,1 Nanosekunden ein Gammaquant freigesetzt wird. Die Zeitdauer zwischen der Entstehung eines Neutrons und dem Eintreffen des aus dem Streuprozeß herrührenden Gammaquants am Gammastrahlungsdetektor wird daher allein durch die Laufwege bestimmt, die für die jeweilige räumliche Anordnung von Neutronengenerator, Untersuchungsgut und Gammastrahlungsdetektor eine feststehende Größe haben. Daher hat auch die Zeitdifferena zwischen dem Eintreffen eines durch unelastische Neutronenstreuung entstandenen Gammaquants am Gammastrahlungsdetektor und dem Eintreffen des entsprechenden assoziierten Teilchens an dem für dessen Nachweis erfindungsgemäß vorgesehenen Detektor einen festen Wert. Mit Hilfe der elektronischen Schaltungsanordnung ist es nun möglich, alle diejenigen Gammaquanten auszusortieren, die für die im richtigen Zeitabstand kein assoziiertes Teilchen registriert wird und die demzufolge eine andere EntstehungsUrsache haben als unelastische Neutronenstreuung und deshalb dem Storuntergrund zugerechnet werden müssen.

Gleichzeitig werden mit der elektronischen Schaltungsanordnung durch Impulshöhenanalyse diejenigen Gammaquanten ermittelt, die eine dem jeweils gesuchten Isotop entsprechende charakteristische Energie besitzen. Durch die Anordnung des Detektors für die assoziierten Teilchen im Vakuumteil des Neutronengenerators wird erreicht, daß die assoziierten Teilchen keine Streuverluste erleiden, bevor sie registriert werden können. Außerdem befindet sich dieser Detektor an einer solchen Stelle, an der gerade diejenigen assoziierten Teilchen ankommen, die den das Untersuchungsgut treffenden Neutronen zuzuordnen sind.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird deshalb erreicht, daß nahezu alle am Gammastrahlungsdetektor ankommenden Gammaquanten, die von einem unelastischen Neutronenstreuprozeß herrühren, zum Meßeffekt beitragen, während die dem Storuntergrund zuzurechnenden Gammaquanten nicht registriert werden. Durch die Erfindung ist es möglich, kontinuierlich eine Elementgehaltbestimmung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In Abbildung 1 ist eine Anlage zur kontinuierlichen Kontrolle des Kohlenstoffgehaltes und damit des Heizwertes von

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Rohbraunkohle am Hauptband eines Tagebaues dargestellt* Über dem Förderband 7, auf dem sich Kohbraunkohle 6 befindet, ist ein DT-Neutronengenerator angeordnet, von dem nur das Vakuumendstück mit dem Deuteronenstrahl 2 und dem Tritiumtarget 3 dargestellt ist. In einem seitlichen Ansatz 5 des Vakuumendstücks befindet sich ein α-Strahlungsdetektor 4, Dieser besteht aus einen Dünnfilmplastszintillator hinter einem Fenster aus Aluminiumfolie, das der Absorption rückgestreuter Deuteronen dient. Der Gamma™ strahlungsdetektor 9 ist durch einen Wolframkegel 8 gegen direkte Neutronenbestrahlung abgeschirmt. Die vom Tritiumtarget ausgehende! Neutronen treffen in der in Abbildung 1 dargestellten Richtung auf die Kohle, während die zugehörigen assoziierten Alphateilchen zum Alphastrahlungsdetektor 4 hinfliegen.

Die bei der unelastischen Neutronenstreuung in der Kohle freigesetzten Gammaquanten haben 4,43 MeV Energie und können von der Kohle aus auf dem in der Abbildung 1 angedeuteten Weg den Gammastrahlungsdetektor erreichen. Sowohl der Gammastrahlungsdetektor als auch der Alphastrahlungsdetektor 4 sind an die elektronische Einheit 10 angeschlossen, deren grundsätzlicher Aufbau in Abbildung 2 dargestellt ist. Kernstück der Schaltungsanordnung ist ein Zeit-Impulshöhen-Konverter (ZIK), der sein Startsignal vom Alphastrahlungsdetektor über einen schnellen Verstärker 1 und einen auf die Energie der Alphateilchen (2,86 MeV) eingestellten schnelle Einkanalanalysator (EKA) 1 und sein Stopsignal vom Gammastrahlungsdetektor über einen schnellen Verstärker 2 als standardisiertes Zeitsignal erhält» Der Zeit-Impulshöhen-Konverter erzeugt Impulse, deren Impulshöhe von der Zeitdifferenz zwischen Eintreffen eines Alphateilchens und eines Gammaquants an den Detektoren abhängt. Ein dem Zeit-Impulshöhen-Konverter nachgeschalteter Einkanalanalysator 2 läßt von diesen Impulsen nur diejenigen durch, die der bei der unelastischen Neutronenstreuung zu erwartenden Zeitdifferenz entsprechen. Die vom Gammastrahlungsdetektor ankommenden Impulse werden einem zweiten, langsamen Übertragungskanal zügeführt, der einen Linearverstärker und einen Vielkanalanalysator (VKA) enthält. Der Vielkanalanalysator wird durch die vom Einkanalanalysator 2 ankommenden Impulse getort, d. h. es werden nur diejenigen Impulse analysiert, die auf unelastischer Neutronenstreuung beruhen. Das von dem Vielkanalanalysator aufgezeichnete

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Spektrum wird der in Abbildung 1 dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, um dort der Berechnung des Kohlenstoffgehaltes der Kohle mittels eines Mikrorechners zugrunde gelegt zu werden. Dabei werden die außerhalb der charakteristischen Energie von 4,43 MeV gemessenen Impulszahlen mit herangezogen, um den verbleibenden Restuntergrund des Spektrums, der durch zufällige Koinzidenzen von Signalen des Alpha- und Gammastrahlungsdetektors innerhalb des untersuchten Zeitabstandes verursacht wird, zu kompensieren. , ; ; < ;.- ;

Mit der erfindOügsgemäßen Vorrichtung kann der Kohlenstoffgehalt der geförderten Rohbraüjbi:ohie: innerhalb von nur einigen Minuten, also unmittelbar¹ nach Beladung eines Köhlezuges, mit so hoher Genauigkeit angegeben wirden, däß danach sofort über die Verwendung der Kohle entschieden werden Rann,

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Claims

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Erfindungsanspruch

Vorrichtung zur Elementgehaltbestimmung von Untersuchungsgut mittels unelastischer Neutronenstreuung, bestehend aus einem Neutronengenerator und einem gegen Direktstrahlung abgeschirmt vr. Gammastrahlungsdetektor, gekennzeichnet dadurch, daß im Vakuumendstück des Neutronengenerators, vom Target aus in Gegenricnt..r..;, zum Bestrahlungsort des Untersuchungsgutes, ein Detektor für assoziierte Teilchen der Neutronenerzeugungsreaktion angeordnet ist, der zusammen mit dem Gammastrahlungsdetektor an eine elektronische Schaltungsanordnung angeschlossen ist, durch die diejenigen Gammastrahlungsimpulse als Meßeffekt registriert werden, die mit einem Assoziierte-Teilchen-Impuls in vorgegebenem zeitlichem und energetischem Zusammenhang stehen·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen